CHAPITRE IV

Nous avons vu que dans les électrolytes, les électrons étaient unis aux atomes neutres pour former des ions libres et que le mouvement de ces derniers constituait le courant électrique. On admet aujourd'hui que la même chose se passe dans les gaz ; c'est-à-dire que s'ils possèdent une conductibilité électrique, elle est due à la présence des ions et à leur mouvement sous l'action des. forces électriques. L'hypothèse de Vionisation des gaz, qui pendant longtemps ne fût soutenue que par peu de physiciens, est à présent généralement admise à la suite des nombreuses expériences instituées dans ces dernières années.

On admet donc qu'un gaz contient des ions libres ; ces ions existant ordinairement en très faible quantité, la conductibilité qui en résulte est très faible. Mais dans certaines circonstances, grâce à une énergie externe appropriée, le gaz se trouve ionisé^ c'est-à-dire qu'un grand nombre de ses atomes se trouve divisés en ions positifs et en électrons négatifs. Ces derniers, si le gaz n'est pas très raréfié, donnent naissance, en s'unissant aux atomes neutres, à des ions négatifs. Certains faits semblent, en outre, indiquer que des atomes ou molécules neutres peu-

HYPOTHÈSE DE l'iONISATION DU GAZ 87

vent s'unir aux ions, de manière à former des groupes qui, tout en possédant la charge caractéristique des ions, possèdent néanmoins une masse beaucoup plus grande que celle qui peut appartenir à un simple ion.

Cette hypothèse, que la conductibilité électrique des gaz est due à la présence de particules électrisées libres de se mouvoir parmi ses molécules, explique de la manière la plus naturelle les faits connus et en particulier ceux qui suivent.

Si l'on fait passer un gaz ionisé à travers des ouvertures étroites, à travers un tampon de coton de verre, par exemple, ou à travers des tubes métalliques longs et très étroits, ou, encore, si on le fait barboter dans un liquide conducteur (i) (ne contenant pas de substances radioactives), ce gaz perd sa conductibilité. On obtient le même résultat en dirigeant le courant gazeux entre deux conducteurs chargés d'électricité de noms contraires, de manière qu'il fasse office de conducteur de courant. Dans le premier cas, le fait s'explique en invoquant l'attraction exercée sur les ions par les corps auprès desquels ils passent ; dans le second cas, les deux conducteurs appellent à leur surface les ions ayant une charge opposée à la leur, de sorte que le gaz en est complètement débarrassé.

La manière dont se comporte un gaz ionisé quand il transmet un courant électrique est également en parfait accord avec l'hypothèse admise. Supposons que nous ayons, par exemple, deux disques métalliques parallèles, dont l'un communique avec le pôle isolé d'une pile et dont l'autre soit en relation avec un électromètre ; ionisons ensuite l'air compris

(■) J.-J. Thomson et E. Rutherford. — Phil. Mag., t. XLII p. 392 (1896).

entre ces deux disques en y faisant passer un pinceau de rayons de Rôntgen, par exemple, et faisons varier en même temps le potentiel fourni par la pile : l'on reconnaît immédiatement que la conductibilité du gaz ne suit plus la loi d'Ohm, qui est vraie dans le cas de courants électriques constants, et en vertu de laquelle l'intensité d'un courant traversant un conducteur croît proportionnellement à la différence de potentiel qui règne à ses extrémités. L'on reconnaît, en effet, que dans le cas de l'expérience citée, l'intensité du courant, mesurée par la charge acquise par le disque qui communique avec l'électromètre pendant un temps fixe et déterminé, croît moins vite que le potentiel. De plus, cette intensité finit par atteindre une valeur limite qui n'augmente plus si l'on continue à faire croître le potentiel de la pile. Gomment interpréter cette valeur limite du courant, dite limite de saturation ? — C'est qu'à ce moment tous les ions produits, pendant un temps donné, par les rayons de Rôntgen (ou par telle autre cause ionisatrice que l'on voudra employer) sont utilisés au transport du courant pendant ce même temps. Une augmentation du potentiel n'a, maintenant, plus d'effet, parce qu'il n'y a plus d'ions disponibles.

Enfin, un autre phénomène curieux, remarqué par M. A. Righi ('), confirmé et interprété par MM. J.-J. Thomson et E. Rutherford, trouve également une explication très naturelle dans la théorie admise. Voici de quoi il s'agit. Reprenons les disques métalliques précédents et faisons varier la distance qui les sépare ; on constate facilement, que

(') A. RxGiii. — Mem. délia R. Ace. di Bologna [N], t. VI, p. 252, (1896).

IONISATION 89

l'intensité du courant qui traverse Tair ionisé compris entre les deux disques ne varie pas dans le sens attendu : Fintensité de ce courant croît (entre certaines limites) avec la distance des deux disques, au lieu de décroître. Or, cela s'explique aisément dans la nouvelle théorie, car en augmentant la distance des disques, on augmente en même temps le volume de la masse d'air qui prend part au phénomène ; le nombre d'ions augmente donc en même temps et, par suite, il en est de même du courant de saturation qui est constitué par leur mouvement.

Dans les gaz, les ions se meuvent au milieu des molécules matérielles, donnant naissance à de fréquentes collisions avec ces dernières. De nouveaux ions peuvent être formés par suite de la scission des molécules neutres, et des ions de signes opposés peuvent, en se recombinant, reconstituer des molécules. Ce dernier fait se produit continuellement, et il est la cause que le nombre d'ions formés, sous une influence ionisatrice, ne peut dépasser une certaine limite.

Si l'ionisation ne se fait qu'en un point delà masse du gaz, les ions qu'elle engendre ne se diffusent pas moins dans tout l'espace occupé par le gaz. A la pression ordinaire, la vitesse de diffusion est généralement très petite, et cela à cause des collï&ions (chocs), qui sont très fréquentes ; mais si l'on fait intervenir un champ électrique, cette vitesse de diffusion devient grande et d'après les premières mesures effectuées dans ce but ('), san ordre de grandeur serait égal à plusieurs dizaines de mètres petr seconde.

(1) A. RiGHi. — Attldel R. Tnstit. Veneto [VI], t. VIF (1889)'.

Les rayons ultraviolets, les rayons cathodiques, les rayons de Rontgen, les rayons émis par les corps radioactifs, réchauffement jusqu'à une température assez élevée, sont autant d'agents capables de produire l'ionisation. Cette ionisation est plus ou moins intense, suivant les cas, et elle est toujours limitée, ainsi que nous venons de le dire, par de continuelles reconstitutions d'atomes neutres. Mais il y a une autre cause d'ionisation, à laquelle se réduisent en réalité quelques-unes des causes précédemment énumérées : c'est le choc des ions, ainsi que celui des électrons, (dont quelques-uns existent probablement, ou tout au moins d'une façon transitoire, à l'état libre même dans un gaz à la pression ordinaire) avec les atomes et les molécules. Lorsqu'un ion possédera une vitesse suffisamment grande, il pourra fournir l'énergie nécessaire à la transformation d'un atome matériel en ion positif et électron négatif, et ensuite d'une molécule en deux ions de signes opposés^

Passons maintenant rapidement en revue ces divers modes d'ionisation d'un gaz.

Les radiations lumineuses et plus spécialement les radiations ultraviolettes, peuvent ioniser les gaz de. deux manières différentes. Si elles frappent un corps solide ou liquide, elles y déterminent une émission d'électrons négatifs, qui a pour résultat la décharge rapide du corps, si ce dernier était préala blement électrisé négativement, et l'apparition d'une charge positive sur le même corps ainsi que l'a démontré M. A. Piiglii (i). Ce sont les métaux que l'on emploie habituellement pour faire l'expérience, et cela parce qu'avec les liquides, l'effet à observer

(1) A. RiGHi. — Rend, délia R, Ace. dei Lincei (4 mai's M

IONISATION 4ï

est assez faible, et que les diélectriques se prêtent encore moins à des déterminations quantitatives ; les radiations actives employées sont les radiations invisibles ultraviolettes émises par l'arc électrique ou par l'étincelle électrique. Ajoutons qu'avec certains métaux, les métaux alcalins et le zinc amalgamé par exemple, les rayons visibles donnent un effet suffisamment marqué.

Cela étant, si le champ créé par la charge négative préalable du corps est suffisamment intense, les électrons négatifs émis par ce dernier peuvent acquérir une vitesse suffisante pour pouvoir ioniser, par suite de leurs chocs, les atomes matériels neutres.

Les radiations ultraviolettes les plus réfrangibles, émises par l'étincelle électrique, peuvent en outre provoquer directement l'ionisation des gaz qu'elles traversent, ainsi que l'a démontré M. P. Lenard (^), en faisant agir sur des corps électrisés les radiations émises par l'étincelle éclatant entre des électrodes d'aluminium.

Ces corps se déchargent à peu près avec la même vitesse, qu'ils soient chargés d'électricité positive ou d'électricité négative,, et quels que soient leur nature et l'état de leur surface. Cela ne peut évidemment pas être attribué à une action des radiations ultraviolettes sur les corps chargés, mais bien à une action de ces dernières sur la niasse d'air traversée, les radiations en question produisant l'ionisation dont on constate les effets. Une expérience, qui peut d'ailleurs être répétée au moyen d'autres agents ionisateurs, confirme cette manière de voir. Elle consiste à faire déplacer de l'air ionisé de l'endroit oîi il est sou-

(1) P. Lexard. — Drudes Ann., t. I, p. 486 (1900).

mis à l'ionisation vers un autre endroit, où se trouvent des corps électrisés, qu'il déchargera en vertu de la conductibilité qu'il a acquise par suite de l'ionisation et qu'il conserve pendant un certain temps. En interceptant les radiations ionisatrices, l'effet cesse de se produire.

11 semble que ce sont les radiations ultraviolettes les plus rapides qui produisent d'une manière sensible l'ionisation directe des gaz ; et, de fait, les expériences qu'on vient de décrire ne réussissent que si le chemin parcouru dans l'air par les radiations ne dépasse pas quelques centimètres ; or les radiations ultraviolettes sont précisément rapidement absorbées par l'air à la pression ordinaire.

Les rayons cathodiques qui ne sont, ainsi que nous l'avons déjà vu, que des électrons négatifs en mouvement, ionisent également les gaz ; nous y reviendrons dans quelques instants avec un peu plus de détails.

Quant aux rayons de Rôntgen, qui sont vraisemblabloment la manifestation d'ondes éthérielles engendrées par de brusques variations de la vitesse des électrons, l'ionisation qu'ils produisent semble due à . l'impulsion électrique instantanée communiquée aux électrons des atomes gazeux.

Enfin, l'élévation de la température, qui équivaut à une augmentation de la vitesse des atomes et, vraisemblablement, de la vitesse avec laquelle vibrent les électrons négatifs, tend naturellement à libérer ces derniers de leur lien avec la partie positive de l'atome. Un fil métallique porté au rouge ionise le gaz qui le touche, et les gaz de la flamme se montrent toujours fortement ionisés.

IONISATION 43

Pour que les molécules d'un gaz soient ionisées par suite du choc des ions qu'il contient, il est généralement nécessaire de soumettre le gaz à l'action de forces électriques intenses. Dans un champ trop faible, les ions, tout en obéissant à la force électrique, ne peuvent acquérir, dans l'intervalle qui sépare deux chocs consécutifs, une vitesse suffisante, et l'effet des chocs se réduit alors à maintenir la vitesse toujours faible, puisqu'une partie de l'énergie du mouvement des ions est communiquée aux molécules frappées. Dans ces conditions, les trajectoires décrites par les ions ne peuvent différer que très peu des lignes de force électrique, ou, en d'autres termes, les ions se meuvent continuellement à peu près dans la direction même de la force qui les sollicite. Les phénomènes dits d'ombres électriques et d'autres phénomènes analogues (') en sont la conséquence immédiate.

Mais lorsque l'intensité du champ électrique agissant sur le gaz est suffisamment forte, l'ionisation par suite de choc a lieu, et c'est ce fait, qui constitue la base d'une explication satisfaisante des phénomènes complexes et variés de la décharge électrique.

Nous ne pouvons pas ici insister davantage sur ces faits, mais en vue de ce qui suit, il est utile de rappeler, à titre d'exemple, l'explication qu'on donne de la formation des deux couches de lueur négative et de l'espace obscur qui les sépare, dans le cas d'une décharge dans un gaz fortement raréfié.

Le phénomène est amorcé par le petit nombre d'ions et d'électrons existant préalablement dans le

(') A. RiGHi. — • Il moto dci'loni, etc. ; Altualitù Scientificlie I; Zanichelli, editore, Bologna 1903).

44 LES IOi>rS DANS LES GAZ ET DANS LES SOLIDES

gaz, ou peut-être encore par des électrons négatifs émis par la cathode. Ces électrons se meuvent d'un mouvement accéléré et acquièrent rapidement une vitesse suffisante pour devenir capables d'ioniser par choc, à quelque distance de la cathode, les molécules du gaz, donnant ainsi naissance au deuxième strate négatif. Ce strate est donc une région du gaz où se produit l'ionisation. Les ions positifs ainsi créés seront entraînés par la force électrique vers la cathode et ils posséderont, à proximité de cette dernière, la vitesse requise pour ioniser les molécules gazeuses : d'où la formation du premier strate de lueur négative.

Les électrons produits dans cette région se meuvent en s'éloignant de la cathode, de sorte que les deux régions d'ionisation fournissent l'une à l'autre les ions et les électrons nécessaires. L'espace obscur de la cathode n'est donc autre que l'espace parcouru par les électrons constituant les rayons cathodiques, et surtout par les ions positifs, qui se meuvent vers la cathode, avant qu'ils aient acquis la vitesse nécessaire pour produire l'ionisation.

Abandonnons maintenant les électrons négatifs qui sont arrivés jusqu'au premier strate négatif et occupons-nous uniquement des ions positifs qui arrivent sur la cathode. Une partie de ces derniers est naturellement neutralisée par des électrons négatifs, mais les ions restants peuvent, par suite de leur vitesse et par suite des différentes directions qu'ils peuvent suivre à la suite des chocs, contourner la cathode et même la traverser, si cette dernière est pourvue d'ouvertures, comme dans le cas d'une cathode constituée par une toile métallique. Les ioiis positifs constitueront alors au-delà de cette cathode des

« KANALSTUAHLEN » DE GOLDSTEIN 4'^

rayons positifs ou anocliques analogues au rayons cathodiques et auxquels on donne fréquemment le nom de rayons-canaux (les kanals Irakien de Goldstein).

Ces rayons positifs sont déviés par un champ électrique ou magnétique, mais cette déviation est de sens contraire à celle éprouvée par les rayons cathodiques dans les mêmes circonstances ; on en déduit que ces rayons sont véritablement constitués par des particules en mouvement électrisées positivement. La déviation observée est, toutes choses égales d'ailleurs, beaucoup plus faible pour les rayons positifs que pour les rayons cathodiques ; ce qui est naturel, étant donné que les particules positives en mouvement ne possèdent pas une masse extrêmement petite, couime dans le cas des rayons cathodiques, mais une masse de grandeur comparable à celle des atomes ou des ions électrolytiques. On a donc ici affaire à des ions et non pas à des électrons positifs, et même probablement à des groupes matériels de masse plus grande.

En admettant que la conductibilité électrique est un phénomène de transport, tant dans les gaz que dans les liquides, l'hypothèse analogue concernant les conducteurs solides, déjà énoncée dans le chapitre I devient de plus en plus naturelle ; et puisqu'il semble que seuls les électrons négatifs et non ceux positifs, peuvent exister isolément, on en déduit que le courant électrique dans un conducteur consiste (du moins principalement) dans le mouvement des électrons négatifs. Les métaux étant perméables aux rayons cathodiques, il s'ensuit qu'ils n'opposent pas un obstacle insurmontable a-u mouvement des électrons. On peut ajouter, sans toutefois entrer dans les détails

que cette manière d'envisager le courant permet de rendre compte des divers faits connus, comme par exemple la proportionalité entre les conductibilités électrique et calorifique des différents corps, et d'expliquer différents phénomènes, comme par exemple les propriétés optiques des métaux. Ici encore la théorie des électrons, non seulement ne rencontre pas de contradictions, mais elle se montre en outre apte à fournir une représentation simple des phénomènes.